C++STL的list模拟实现

前言

要实现STL的list, 首先我们还得看一下list的源码。

我们看到这么一个东西，我们知道C++兼容C，可以用struct来创建一个类。但是我们习惯用class。

那什么时候会用struct呢？
这个类所有成员都想开放出去，比如结点的指针，它一般开放出来。所以我们用struct.。

继续看源码比较重要的东西，成员变量的结构。

这个东西是啥？


这样就很清晰了。

知道它是一个结点的指针，下一步 应该看什么？
成员看了，就看接口。
看接口第一步，看构造函数，看构造函数就知道它怎样初始化，就知道它的初始结构是怎样的。
初始结构摸清楚了，就对它的大概形态摸清楚了。

接着看它的核心方法，当然我们本身对list有一定的了解。
头插头删，尾插尾删就是核心方法。

看它的构造函数



后面就先不接着往下看了。

list实现

先把最基本的东西写出来。

namespace but
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;
	};

	template<class T>
	class list
	{
		list()
		{
			_head = new list_node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		list_node* _head;
	};
}

push_back

为什么报错？

前面我们说过像构造函数，参数可以不加模板参数，但是声明类型还是得加上。

list_node是类名，list_node才是类型。

更新一下前面的代码。

namespace but
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> node;
		list()
		{
			_head = newnode;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		node _head;
	};
}

push_back怎么搞？
找到尾，然后new 一个新节点，最后链接。

void push_back(const T& x)
{
	node* tail = _head->_prev;
	node* new_node = new node(x);

	tail->_next = new_node;
	new_node->_prev = tail;
	new_node->_next = _head;
	_head->_prev = new_node;
}

写个list_node的构造函数。

list_node(const T& x )
	:_next(nullptr)
	, _prev(nullptr)
	, _data(x)
{}

紧接着报错。

没有默认构造怎么办？
最好还是提供一个全缺省的构造函数。

//list_node(const T& x =0)不能给0
list_node(const T& x =T())
	:_next(nullptr)
	, _prev(nullptr)
	, _data(x)

迭代器(重点)

普通迭代器

首先我们肯定会遇到一个问题，之前的vector的数据是连续存放的，而链表每个结点是不连续的。
++不能指向下一个结点。

怎么解决这个问题？
能不能给node提供一个重载，不行，因为是node*而不是node;

我们可以看一下STL的源码。

++还可以解引用

现在我们根据自己的理解，写一个简单的迭代器，让它运行起来。

接着我们再在list这个对象里写上begin()和end()就可以正常访问了。

最后测试一下


大家仔细看，数组和链表的结构千差万别，但是用起来是如此的相似。
这源自于封装，屏蔽掉了我们看不到的细节。

今天最重要的并不是链表的实现，迭代器的实现才是最最重要的。

总结一下，node*不支持解引用，不支持++，但是我可以用一个自定义类型对你封装，然后去重载运算符，我可以控制我想要的解引用的行为，想要的++的行为，这是自定义类型达到的意义。

注意看这里有个隐藏的点，发生了拷贝构造，我们自己没有写拷贝构造，编译器自动生成的不会 出问题吗？

程序运行没有报错，什么原因呢？这里没有写析构函数，不需要释放结点。

为什么不需要释放结点？
虽然有结点的指针，但是这结点的指针并不属于迭代器。
结点的指针给迭代器，只是为了遍历链表，++，解引用，修改链表。
释放是链表的事情，链表的析构函数会释放，不需要你释放。
这个结点不是迭代器new出来的，你只有使用权，没有归属权。

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T> node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
	node* _node;

	__list_iterator(node* n)
		:_node(n)
	{}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;

		return *this;
	}

	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;

		return tmp;
	}

	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;

		return *this;
	}

	self operator--(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;

		return tmp;
	}

	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}

	bool operator==(const self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}
};

const迭代器

假设我们传了const的链表，编译不通过。

为什么编译不通过？
还是我们之前讲了很多次的权限放大。
我们提供一个支持const对象的迭代器就可以了。

但是看这里，为什么const对象还可以调用构造迭代器？

首先const修饰的*this具体是_head;所以_head不能被改变，而不是_head指向的内容不能被改变。
这个结点指针本身不能改变，但是它可以拷贝给别人。

但是这样写不符合我们的预期，可以修改了。为什么能修改呢?就是因为它构造出了普通迭代器。但是普通迭代器是不可写的。

我们要写一个const迭代器

首先我们先想一下普通迭代器和const迭代器的区别是什么？

先看一个问题，能不能这样定义const迭代器？

绝对不可以。
首先迭代器对标的是指针。

写成上面这样，是保护迭代器本身不能修改，而我们想要的是，迭代器指向的内容不能修改，也就是 const T*;

那怎么实现呢，我们要实现的内容不能修改。
我们可以像之前实现普通迭代器一样，再写一个const迭代器对象，只是名字改一下，然后解引用的时候不能修改。

两个对象除了那个返回值不一样，其他都一样怎么简化一下呢？
控制返回值不一样就可以了。增加一个模板参数。
还能这么玩。

// 1、迭代器要么就是原生指针
// 2、迭代器要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T> node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
	node* _node;

	__list_iterator(node* n)
		:_node(n)
	{}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;

		return *this;
	}

	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;

		return tmp;
	}

	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;

		return *this;
	}

	self operator--(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;

		return tmp;
	}

	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}

	bool operator==(const self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}
	};

我们看一下库里面的模板参数

为什么还有一个Ptr呢？
它还提供了一个重载operator->;

什么时候会用->?
大家注意，上面的迭代器模拟的是int*;
自定义的类型是不是得用->


大家看报错了。报的啥错。
it返回的是AA,AA没有返回流插入。

第一种方式可以使用重载一个流插入，这里因为AA里面的成员都不是私有，所以我们可以这样。

这样写很别扭我们可以这样。

我们可以在迭代器里面重载一个->

总感觉有点怪怪，其实是这样的。

好，接下来const的迭代器的->重载需要返回const T*,所以这里再增加一个模板参数。

insert

链表其实已经实现的差不多了，我们现在自己再把功能完善一下。其实我们没必要实现头插头删尾插尾删，我们只需要实现insert.和 erase, insert和erase实现了，其他都可以实现。

void insert(iterator pos, const T& x)
{
		node* cur = pos._node;
		node* prev = cur->_prev;

		node* new_node = new node(x);

		prev->_next = new_node;
		new_node->_prev = prev;
		new_node->_next = cur;
		cur->_prev = new_node;
}

链表的insert会不会导致迭代器失效？
不会
因为pos始终指向这个结点，并且这个位置关系也不会变。

接着我们其实自己不用写push_back和push_front了

void push_back(const T& x)
{
	insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}

erase

void erase(iterator pos)
{
//哨兵卫头节点不能删除
		assert(pos != end());

		node* prev = pos._node->_prev;
		node* next = pos._node->_next;

		prev->_next = next;
		next->_prev = prev;
		delete pos._node;
}

链表的erase会不会导致迭代器失效？
铁铁的失效，迭代器指向的结点的指针都被干掉了

void pop_back()
{
	erase(--end());
}

void pop_front()
{
	erase(begin());
}

大家看下面这两行代码的差异在哪里？
本质上没有差异。它们的差异点在于pnode是一个内置类型，it是一个自定义类型。

从物理空间上看，它们的代码是一摸一样的，都是4个字节，并且都是同一个地址。

但是这两个的行为天差地别

这就是C语言和C++的差异。

析构函数

clear可以帮我们把数据清掉，但是它不清头结点。

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);//防止迭代器失效
		erase(it++);
	}
}

这样写行不行？
可以。it不是失效了吗？为什么还可以it++; 我们之前说过it失效有个现象就是野指针，那这里怎么没事呢？
这就是后置++的价值，它会返回++之前的值。

也就是说erase的并不是it，而是返回的迭代器。

析构和clear的区别就是头节点要不要清楚掉，析构是彻底不用了。

~list()
{
	clear();
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		//it = erase(it);
		erase(it++);
	}
}

构造函数

我们再提供一下迭代器区间的构造。

这样写可不可以，不可以，你要push_back，你得有一个哨兵卫的头节点。

void empty_init()
{
	_head = new node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}

template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
	empty_init();

	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

const对象可不可以调用构造函数。可以。

拷贝构造

传统写法

现代写法

void swap(list<T>& tmp)
{
	std::swap(_head, tmp._head);
}

list(const list<T>& lt)
{
	empty_init();

	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	swap(tmp);
}

this跟tmp交换，但是this是随机值，会报错，所以要初始化。

赋值

为什么不用引用传参？
用引用会导致一个非常恶劣的后果。
大家看，传引用的话，lt就是lt3,交换就变成lt1和lt3的交换了。

// lt1 = lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	swap(lt);
	return *this;
}

vector和list的区别

其实就是顺序表和链表的区别。